[发明专利]集成光栅微悬臂梁生化传感器及其芯片制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统（MEMS）和传感技术领域，特别涉及一种利用生化结合 应力使微悬臂梁弯曲和基于集成光栅干涉实现高分辨率位移测量的集成光栅微悬臂 梁生化传感器及其制作方法。

背景技术

高灵敏度的生化检测技术在疾病诊断、食品安全、环境监测、反恐等方面有广泛 和迫切的需求。无标记生物检测技术以其操作的简便快捷，得到了广泛的重视。

基于微悬臂梁的高灵敏度微生化传感器被广泛的研究，1997年，R.Berger等在 Science上发表了通过硫醇在金表面的自组装实验发现化学结合使悬臂梁表面自由能 改变引起悬臂梁发生弯曲的现象，利用这一原理，通过在微悬臂梁上修饰特异性吸 附层结合对应的生化分子，结合应力使悬臂梁产生弯曲，通过测量微悬臂梁的弯曲 从而检测到生化分子的浓度。

而对于微悬臂梁弯曲位移的检测是整个传感器设计和应用的核心问题，由于微悬 臂梁产生的位移较小，一般在纳米级别，这就对检测位移的方法提出了很高的要求， 目前为止主要运用的方法有电容式、压阻式、场效应式以及压电式等。以上几种电 检测方法虽然便于直接与电路集成，且方便大规模阵列化，但其检测灵敏度没有光 学方法高，对于疾病早期诊断等需要检测极低浓度的应用，光学检测是更佳的途径。

基于MEMS集成光栅干涉的高分辨率位移测量技术是20世纪末出现的新技术，最 初用于AFM探针的位移测量[Manalis，1996]，其位移分辨率现已可达10^-3埃，接近 于隧道效应位移测量分辨率的10^-4埃，但其无需高精度的微弱电流检测和精密反馈 控制；与常规的AFM的光杠杆测量原理相比，其位移测量分辨率更高，且只需测量 衍射光的光强，而非光斑位置的测量，更便于对准调整。Manalis等利用梳齿结构作 为光栅，通过测量衍射光的强度得出动齿和定齿间的位移。该方法被MIT的和GIT 的科学家分别应用于微加速度计和微声传感器。

如果将MEMS集成光栅干涉的高位移分辨率的特点和结合应力致微悬臂梁弯曲的 高灵敏度结合起来，则可以实现高灵敏度微生化传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用生化结合应力使微悬臂梁弯曲和基于集成光栅 干涉实现高分辨率位移测量的集成光栅微悬臂梁生化传感器。该生化传感器的光栅 位于玻璃片或其它透明基底上，光栅与微悬臂梁反射面间有微小的间隙；当生化样 品经过悬臂梁表面时，悬臂梁表面的特异性生化探针结合特定的生化分子，从而产 生结合应力，在应力的作用下，微悬臂梁发生弯曲变形，导致微悬臂梁与光栅的距 离发生变化，从而改变衍射光斑的光强；通过测量衍射光斑光强的变化，得到悬臂 梁的位移，从而推算出生化样品的浓度，以实现生化检测。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的集成光栅微悬臂梁生化传感器，包括：

一透明基底；

覆于所述透明基底上表面的金属光栅；

一由锚点和微悬臂组成的悬臂梁组件；所述锚点与所述透明基底相连；所述微 悬臂上表面上覆有生物探针附着层，所述微悬臂下表面为光反射面；所述微悬臂长 度100－3000微米，宽度10-300微米，厚度0.1-10微米；所述微悬臂与透明基底 间设有间隙；

粘附于所述生物探针附着层上表面的特异性生物探针；

光电探测器和放置在所述金属光栅正下方的激光二极管；

本发明提供的集成光栅微悬臂梁生化传感器，还包括：

覆于所述透明基底上表面的连接电极和底电极；

一包覆所述金属光栅和底电极的绝缘层；

所述连接电极与所述锚点相连；所述微悬臂与绝缘层之间设有间隙；

所述透明基底为玻璃或聚合物材质的板型基底。

所述的金属光栅为金、铬、铂、铝或铜光栅，其宽度0.1-20微米，间距0.1-20 微米。

所述绝缘层为二氧化硅绝缘层、氮化硅绝缘层或聚合物绝缘层，其厚度为50－ 2000nm。

所述锚点和微悬臂的材质均为铝、铜、镍、多晶硅、氮化硅、氧化硅或聚酰亚胺。

所述微悬臂与透明基底之间的间隙为0.2-30微米。

所述生物探针附着层为1－100纳米厚金层或为0.01－5微米后聚合物层。